分子伴侣研究进展

分子伴侣的研究进展
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分子伴侣的研究进展
XXX
（XXX，XXX，XXX）
摘要：分子伴侣是细胞内一类能够协助其他多肽进行正常折叠、组装、转运、降解的蛋白。

近年来，科学家对分子伴侣的研究取得了很大的进展。

本文介绍了分子伴侣的分类、结构和功能方面的研究进展，并对分子伴侣的应用前景进行了展望。

关键词：分子伴侣，分类，功能，应用前景
Progress on Molecular Chaperone
XXX
(XXX, XXX, XXX)
Abstract:Molecular chaperone is a kind of protein in the cell,which could assist other polypeptides in folding normally,assembling,transporting and degradation. Recently, scientists have made great progress on the study of the molecular chaperone. This article describes the progress of molecular chaperone on classification, structure and function, and makes prospect for the molecular chaperone in the future.
Key words:molecular chaperone, classification, function, prospect
1978年，Laskey发现DNA和组蛋白在体外生理离子强度条件下重组时，必须有一种细胞核内的酸性蛋白一核质素(nucleoplsmin)存在，二者才能组装成核小体，否则就生成沉淀，他给帮助核小体组装的酸性蛋白起名为“Molecula chaperone”，即分子伴侣。

1980年，R.J.ELLis在研究叶绿体内的核酮糖1,5-二磷酸羧化酶-加氧酶（Ribulosel, 5-lisphosphate carboxylase-oxygenase, Rubisco)时发现叶绿体中合成的八个大亚基和细胞质中合成的八个小亚基都必须先和一种蛋白质组合后，才能在叶绿体内组装成有活性的Rubisco酶分子，并于1986年提出Rubisco结合蛋白可能是核质素之后的第二个分子伴侣，1987年，Ellis提出了普遍意义上帮助新生肽链折叠的分子伴侣。

1993年，Ellis对分子伴侣做了更为确切的定义：即分子伴侣是一类相互之间有关系的蛋白，它们的功能是帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正确的非共价的组装，但并不构成被帮助的蛋白质的组成部分【1】。

经过几十年的研究，分子伴侣的概念已经扩大为：在生物大分子的折叠(folding)、组装(assembly)、转运及降解等过程中起协助作用，参与协助抗原的呈递和遗传物质的复制、转录及构象的确立；参与细胞周期调控、抗衰老、凋亡调控等，但自身并不发生任何变化的一大类广泛存在于生物体内的蛋白质分子。

1 分子伴侣的分类
分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需要的构象信息，而只是阻止非天然态多肽链内部的或相互间的非正确相互作用，因而它们能提高折叠反应的产率而不一定能提高其速率【2】。

根据刘慧萍等的分类【3】，分子伴侣主要分为以下几类:
1.1 伴侣素家族(Charperonin,Cpn)
Cpn家族具有独特的双层7- 9元环状结构的寡聚蛋白(Hemm inngwen; cheng 1998)，它们以依赖ATP方式促进体内正常和应急条件下蛋白质折叠。

Cpns又可分为两组:GroE1(Hsp60)家族和Tris家族。

GroE1的Cpn由双层7个亚基形成圆环组成，每个亚基分子量约为60ku。

它们在体内与一种辅助因子，如E,coli中的GroEs，协同作用帮助蛋白质。

这些蛋白质一般是应急反应诱导的，人们对GroE和GroEs的结构、功能及作用机理作了详细研究。

Tris 型的Cpn是由双层8或9元组成，亚基分子量约为55k，该种Cpn没有类似的辅助因子。

1.2 热休克蛋白 70家族
由于该家族是进化上最保守的蛋白质之一，在应用上具有广阔的前景，因此是研究最多的家族。

Hsp70结构由两部分组成，一部分主要由一个N端高度保守的44ku的三磷酸腺疳酶(ATPase)功能域(ATP binding damain)；另一部分由一个分子质量为25ku的C端区域组成。

N端ATPase功能域的结构类似于凝聚素和己糖激酶，主要由两个大的球形亚功能域I和II 组成，其间被一个深的中央裂缝分开，并通过2个交叉的α螺旋相连接；亚功能域和连接的α螺旋和裂缝的底部形成一个核苷酸及所需的Mg2+和K+的结合袋，核苷酸经过与两个磷酸结合环和一个疏水腺苷的相互作用而定位在活性部位[4]，并与HSC70侧链结合的Mg2+相联系。

C端区域又分一个保守的15ku的多肽的结构功能域和一个不保守的靠近C端的10ku可变区功能域，zhu等在1996年研究表明Dnak(HSC70)底物结合功能域和端分可变区域重组片段的结构主要由两部分组成，第一部(N端)折叠或一个紧密的β三明治（β-sandwich)结构。

第二部分(C端)由5个α螺旋组成，形成一个松弛的α螺旋结构。

松弛构象的多肽结合在由β-三明治结构形成的底物结合通道中，而α螺旋部分位于多肽结合单位之上，象一个盖子覆盖在结合通道上面，而不与底物直接接触，所以能阻止结合底物的逃脱。

1.3 热休克蛋白 90家族
热体克蛋白90家族(Hsp 90 family），分子量在90ku左右。

Hsp90可以与脑浆中的类固醇激素受体结合，封闭受体的DNA结合域，阻碍其对基因转录调控区的激活作用，使之保持在天然的非活性状态。

但Hsp90的结合也使受体保持着对激素配体的高亲和力。

Hsp还与Ras信号途径中许多信号分子的折叠与组装密切相关，主要是Hsp90的结合与解离、介导了这与分子在与非活性与活性之间的转化。

1.4 其他种类的分子伴侣
包括核质数、T受体结合蛋白(TRAP）、大肠杆菌的SecB和触发因子(trigger factor)及PapD、噬菌体编码的支架蛋白(scaffolding proteins)等【5】。

2 分子伴侣的功能
现阶段关于分子伴侣的研究已经取得了重大的进展，对分子伴侣促进生物大分子的折叠、组装、转运及降解等机制也有了一些突破。

特别是对热休克蛋白的形态、结构、功能等的研究。

2.1 分子伴侣参与生物机体的应激反应
分子伴侣中除少数成员外，大部分均可被高温或低温以及乙醇、亚砷酸盐、重金属等诱导合成，它们使生物体逆境耐受力大大增强。

生物体在恶劣的环境下，如高温、干旱等细胞中会出现变性蛋白，Hsp70会与变性蛋白结合以防止其凝聚，还能修复受损或变性的蛋白，促使蛋白质的折叠。

当变性蛋白出现时，细胞中就需要合成更多的Hsp70与变性蛋白结合，变性蛋白越多，需合成的Hsp70就越多，结果导致Hsp70在受威胁细胞中高表达，也就是说，在植物的Hsp70高表达时植物就能抵抗高温、干旱的威胁，否则细胞就会死亡【6、7】。

用人类的Hsp70基因转化的鼠细胞和猴细胞，其耐热能力明显提高。

免疫荧光标记法(immuno-fluorescence technique)确定真核生物的Hsp70集中在膜、核质和核仁中，同时在酵母无细胞提取液中纯化的Hsp70可以修复因热诱导被破坏的核功能【8】。

可见，分子伴侣在热激反应中的作用首先是恢复细胞转录和翻译的机能。

2.2 分子伴侣参与生物大分子的折叠和组装
所有的分子伴侣家族都具有帮助生物大分子(主要是蛋白质)折叠和组装的功能【9】。

在新生肽链一边合成一边折叠的过程中，或在变性蛋白质复性过程中，会形成一些折叠中间体。

而折叠过程是一个通过折叠中间体的正确途径与错误途径相互竞争的过程。

分子伴侣的功能就是提高蛋白质的合成效率，帮助正确途径的竞争机制。

根据Levinthal在1968年提出的假设，一个含100个氨基酸残基的蛋白质，如果每个残基可采取三个不同的位置，其构象总数为3100即5X1047。

如果一种构象变为另一种构象，所需时间为10~13秒，那么总共所需时间为5X1034秒，即1.6X1027年。

而在生物机体内，因为有分子伴侣的参与，折叠和组装的速率和效率大大提高，使实际的时间为1秒至几分钟。

他还认为，蛋白质的折叠是一种积累选择(cumulative selection)机制，就是每次搜索时把正确折叠的那部分结构保留下来，形成一系列连续的局部折叠中间体，因此蛋白质折叠能迅速完成，在这个过程之中分子伴侣起重要协助作用【10】。

在体液中，肽链形成天然构象或亚基装配成复合物之前，本应包埋在蛋白质中心的疏水区瞬间暴露而易错误折叠或聚集形成不正确的产物；分子伴侣识别这些未折叠的肽链和未组装的亚基，与它们形成复合物，防止错误折叠或聚集成包涵体(inclusion body)。

如Hsp70家族惟一定位在内质网中的结合蛋白(binding protein,Bip)，它能够识别内质网蛋白的信号序列(signal sequence)。

Bip蛋白具有ATP酶活性，能够水解ATP提供其作用于蛋白质折叠所需的能量【11】。

2.3 分子伴侣参与生物大分子的转运和定位
分子伴侣与新生肽链结合，阻止新生肽链折叠成天然构象或聚集，使新生肽保持能够跨膜转运出去的分子构象，即不折叠或部分折叠，并且不被细胞内蛋白酶水解，利于跨膜转运。

分子伴侣介导线粒体蛋白跨膜转运。

在细胞质中合成的线粒体蛋白质必须穿越线粒体膜到达其行使功能的部位。

跨膜转运(translocation)过程是单向进行的。

完成这一单向转运过程需要分子伴侣，它们能解开细胞质内前体蛋白(precursor)折叠的结构域，牵拉多肽链穿膜而过，最后再帮助已进入基质的肽链重新折叠。

水解ATP所释放的能量用以帮助解折叠及跨膜完成后蛋白质与分子伴侣复合物的分离。

线粒体基质Hsp70(mHsp70)可与已进入线粒体腔的导肽交联。

一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有一分子的mHsp70结合上去，这样就防止导肽退回细胞质。

随着肽链进一步伸入线粒体腔，肽链会结合更多的mHsp70分子，mHsp70分子可拖拽肽链，mHsp70以一种高能构象结合导肽转变为低能构象，促使导肽进入线粒体腔，并迫使后面的肽链解链进入转运孔道【12】。

另外，在网格蛋白包被小泡(coated vesicle)形成过程中也需要分子伴侣协助【13】。

2.4 分子伴侣参与遗传物质的复制转录及生物信号转导
在体外试验中，核酸衣壳(nucleocapsid,NC)蛋白可与单链DNA,RNA以及双链DNA结合【14】。

NC蛋白可以消除RNA模板的二级结构，有效地减少反转录过程受阻的现象，增加全长cDNA 合成效率。

2.5 分子伴侣参与细胞器和细胞核结构的发生
真核生物的许多细胞器，如线粒体、叶绿体、溶酶体、过氧化物酶体等，它们只具有很少或者不具有遗传物质，它们在形成过程中所需的蛋白质大多或全部由核基因编码，在细胞质中合成，再转运到目的细胞器中进行折叠加工，并参与组装成完整的细胞器，在这个过程中涉及蛋白质的转运与定位以及折叠和组装。

这些都需要分子伴侣的参与。

2.6 分子伴侣参与细胞骨架的组装
肌动蛋白和微管蛋白是细胞骨架(cytoskeleton)的主要组成成分，在真核细胞胞浆中含量极其丰富。

CCT(t he chaperonin containing tailless complex polypeptidel)是一种广泛存在于细胞胞浆中异型寡聚蛋白，在肌动蛋白、微管蛋白的组装和折叠中发挥重要作用，CCT构象顶端结构域的螺旋突出物，执行了分子伴侣功能。

CCT底物蛋白变构后形成单链，进入CCT一侧环中间，并与亚基顶端结构域的疏水区域相结合，形成底物蛋白-CCT复合物；该复合物与ATP结合后，ATP水解释放能量，依次改变了CCT螺旋突出物、顶端结构域的构象，同时带动环内蛋白质构象的改变，从而完成蛋白质的折叠组装，这是一种消耗能量的主动折叠机制【14】。

2.7 分子伴侣参与细胞周期与凋亡的调控
Hsp70现在被认为是一种抗凋亡蛋白，其作用机制比较复杂。

有文献表明Hsp70的抗调亡作用与其对压力应激酶的抑制作用有关，而JNK激酶(JNK kinase)则是细胞调亡(apoptosis)
途径中的重要一环。

Hsp70的作用机制也是作为一种压力感受器(stress sensor)而与JNK激酶级联通路的上游元件结合，当细胞内异常蛋白增多时，Hsp70信号对细胞凋亡的抑制作用还可能位于凋亡途径的其他位点，在凋亡的效应阶段，细胞色素C从线粒体逸出并与APAF-1(apoptosis protease activating factor-1)及ATP共同导致procaspase-9的激活，产生凋亡效应。

而Hsp70可与APAF-1结合，阻止由寡聚的APAF-1及由募集的procaspase-9组成凋亡效应体(apoptosome)，从而阻断凋亡途径【15】。

2.8 Hsp70-多肽复合物对肿瘤细胞的免疫治疗作用
人们发现分子伴侣蛋白能结合肿瘤细胞中新产生的多肽形成Hsp70-多肽复合物，此复合物能引发机体细胞的免疫反应，实现对肿瘤细胞的免疫治疗。

在研究人大肠癌发病机理过程中发现Hsp70在人大肠癌细胞中表达明显增高。

癌组织中Hsp70 mRNA的表达量是正常大肠粘膜的1.92倍【16】国际上也有很相似的报道【17】。

例如，Hsp70等分子伴侣有抑制肿瘤细胞和线粒体凋亡作用，保护了肿瘤细胞和线粒体。

2.9 分子伴侣介导细胞自噬
分子伴侣介导的自噬仅存在哺乳动物细胞，具有一定的选择性。

近几年，人们对分子伴侣介导的细胞自噬的分子机制有了深入理解。

作为细胞的一种自我保护机制，特别是在应对氧化性损伤、清除变性的蛋白质以及在维持细胞内环境稳态等方面发挥重要的生理作用【18】。

3 分子伴侣的应用前景展望
3.1 疾病的预防、诊断和治疗
分子伴侣是一个非常值得尝试的AD（阿尔茨海默病）治疗靶标，热休克蛋白90的抑制剂具有用于AD治疗的潜在可能性。

由于分子伴侣在遗传物质的复制、转录方面以及在蛋白质分子的折叠组装中发挥重要作用，因此，分子伴侣与病毒DNA的复制、转录以及病毒粒子的装配等密切相关。

对病毒与分子伴侣相互关系的深入研究可能提供动、植物抗病毒的又一可能途径，在病毒性疾病的治疗上具有广阔的应用前景【19】。

实验表明，分子伴侣对于处于应激条件下的细胞具有保护作用。

这一特性可考虑用于临床。

Hsp70的高表达可增强细胞缺血耐受性，这提供了预防和治疗缺血性心肌损伤和脑中风的新思路。

3.2 指导生物产品的开发
Hsp70作为一个肽链携带者，可加强抗原呈递，这样可能提供有前景的疫苗。

最有前景的疾病治疗应用可能对于那些自身编码分子伴侣的病毒最有效，因为这些分子伴侣蛋白含有特异的病毒蛋白的基元，而在宿主编码的分子伴侣蛋白中不存在，故可作为小分子阻碍物的理想侯选。

已经有几种分子伴侣类的小分子化学阻碍剂被分离，可以作为病毒特异的阻碍剂而用于疾病治疗。

另外，分子伴侣还可以成为肿瘤或感染性疾病中的免疫优势抗原
(immunodominant antigens)激发宿主的免疫反应。

这说明分子伴侣有可能作为疫苗，来抵抗微生物的感染，并用来治疗肿瘤和自身免疫疾病。

在治疗白血病方面，将来自小鼠B细胞淋巴细胞瘤或B细胞白血病的Hsp70注入小鼠体内发现，可诱导较强、特异的抗白血病细胞的细胞免疫。

3.3 应用于农作物育种
由于分子伴侣有使生物体产生应激反应的功能，因此分子伴侣可以提高植物对环境的抗性，使植物具有耐热的性能。

这为通过基因工程的手段培育耐热品种提供了理论和物质基础【20】。

3.4 检测环境污染
由于环境污染对Hsp70有诱导作用，所以可以通过测量动物体内Hsp70水平来监测环境污染【21】。

3.5 将引起生物学、医学等领域的重大变革
分子伴侣的研究不仅涉及生物学的最基础的理论问题，其研究成果也将引起生物学、医学等领域的重大变革。

基因工程和蛋白质工程中活性蛋白获得率低这一问题严阻碍基因工程和蛋白质工程的实际应用，分子伴侣和新生肽折叠的研究成果将从根本上解决上述问题。

此外，由于分子伴侣在生命活动的各个层次都有重要作用，所以分子伴侣的损伤和突变也必定会引起各种疾病，应用分子伴侣的知识来治疗所谓的“分子伴侣病”将会高效解决医学上证面临的重大难题。

自从分子伴侣被确认以来，人们发现几乎细胞代谢的所有过程—其中或多或少总有蛋白质参与——都有分子伴侣发挥作用【22】。

随着研究进展的不断深入，伴侣分子会越来越受到人们的重视，为生物界发展开创新的前景。

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